DE102019116541B4 - Tumbler and a method for operating a tumbler - Google Patents
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Abstract
Zuhaltung (6), mit- einer ersten Erregerspule (12) zur Erzeugung eines ersten magnetischen Feldes,- einer zweiten Erregerspule (14) zur Erzeugung eines zweiten magnetischen Feldes, und- einem Verriegelungselement (16), welches zumindest einen ferromagnetischen Kernabschnitt (20) aufweist und mittels des ersten und/oder des zweiten magnetischen Feldes zwischen einer ersten und einer zweiten Lage bewegbar ist, wovon eine der beiden Lagen mit einer Verriegelungsposition korrespondiert,- wobei der Kernabschnitt (20) in der ersten Lage weiter innerhalb der ersten Erregerspule (12) angeordnet ist als in der zweiten Lage, und- wobei der Kernabschnitt (20) in der zweiten Lage weiter innerhalb der zweiten Erregerspule (14) angeordnet ist als in der ersten Lage, wobei- eine Detektionsvorrichtung an die erste Erregerspule (12) angeschlossen ist, wobei die Detektionsvorrichtung zur Ermittlung der Induktivität der ersten Erregerspule (12) und zur Verarbeitung der ermittelten Induktivität zur Ausgabe eines Detektionssignals ausgelegt ist, das anzeigt, ob sich das Verriegelungselement (16) in der ersten Lage befindet, und wobei- die Detektionsvorrichtung auch an die zweite Erregerspule (14) angeschlossen und zur Ermittlung der Induktivität der zweiten Erregerspule (14) ausgebildet ist.Tumbler (6), with - a first excitation coil (12) for generating a first magnetic field, - a second excitation coil (14) for generating a second magnetic field, and - a locking element (16) which has at least one ferromagnetic core section (20) and can be moved by means of the first and/or the second magnetic field between a first and a second position, one of the two layers corresponding to a locking position, - the core section (20) in the first position being further within the first excitation coil (12 ) is arranged than in the second layer, and - wherein the core section (20) in the second layer is arranged further within the second excitation coil (14) than in the first position, wherein - a detection device is connected to the first excitation coil (12). , wherein the detection device is designed to determine the inductance of the first excitation coil (12) and to process the determined inductance to output a detection signal which indicates whether the locking element (16) is in the first position, and wherein - the detection device is also on the second excitation coil (14) is connected and is designed to determine the inductance of the second excitation coil (14).
Description
Die Erfindung betrifft eine Zuhaltung zum Verschließen oder Verriegeln bzw. Öffnen einer Zugangsschutzeinrichtung und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Zuhaltung.The invention relates to a tumbler for closing or locking or opening an access protection device and a method for operating such a tumbler.
Zuhaltungen können sich bspw. an Türen, Toren, Fenstern, Klappen und Luken finden. Ein besonderer Anwendungsbereich der Erfindung sind sicherheitstechnische Zuhaltungen zur Verwendung in der Automatisierungstechnik an Zugangsschutzeinrichtungen als Teil eines Verschlussmechanismus.Tumblers can be found, for example, on doors, gates, windows, flaps and hatches. A particular area of application of the invention is safety tumblers for use in automation technology on access protection devices as part of a locking mechanism.
Es sind bistabile Hubmagnete bekannt, die unter Anwendung magnetischer Kräfte ein Absperrelement in einen gesperrten oder einen geöffneten Zustand verfahren. Ein derartiger bistabiler Hubmagnet ist beispielsweise aus der
Aus der
Zudem ist aus der
Schließlich ist aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zuhaltung und ein Verfahren zum Betrieb hierfür vorzuschlagen, welche einfach und günstig sind, sowie die Eignung zur Verriegelung von sicherheitsrelevanten Zugangseinrichtungen aufweisen.The invention is based on the object of proposing a tumbler and a method for operating it, which are simple and inexpensive and are suitable for locking security-relevant access devices.
Die Erfindung löst die Aufgabe durch eine Zuhaltung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Betrieb einer Zuhaltung gemäß Anspruch 14. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen.The invention solves the problem by means of a tumbler according to claim 1 and a method for operating a tumbler according to
Die erfindungsgemäße Zuhaltung weist eine erste Erregerspule zur Erzeugung eines ersten magnetischen Feldes, sowie eine zweite Erregerspule zur Erzeugung eines zweiten magnetischen Feldes auf. Die erste und die zweite Erregerspule können bspw. im Wesentlichen über eine Mittenachse axial zueinander angeordnet sein. Die Erregerspulen können so gewickelt sein, dass sie jeweils einen Raum aufspannen. Gemeinsam können diese Räume im Wesentlichen als ein Innenraum betrachtet werden. Die Erregerspulen können identische oder unterschiedliche Wicklungszahlen und/oder Wicklungsmaterialien aufweisen.The tumbler according to the invention has a first excitation coil for generating a first magnetic field and a second excitation coil for generating a second magnetic field. The first and second excitation coils can, for example, be arranged axially relative to one another essentially over a central axis. The excitation coils can be wound in such a way that they each span a space. Together, these spaces can essentially be viewed as an interior space. The excitation coils can have identical or different numbers of windings and/or winding materials.
Die erfindungsgemäße Zuhaltung weist außerdem ein Verriegelungselement auf, welches zumindest einen ferromagnetischen Kernabschnitt aufweist und mittels des ersten und/oder des zweiten magnetischen Feldes zwischen einer ersten und einer zweiten Lage bewegbar ist, wovon eine der beiden mit einer Verriegelungsposition korrespondiert. Das Verriegelungselement ist bevorzugt mindestens zum Teil in dem von den Erregerspulen aufgespannten Innenraum angeordnet.The tumbler according to the invention also has a locking element which has at least one ferromagnetic core section and can be moved between a first and a second position by means of the first and/or the second magnetic field, one of the two of which corresponds to a locking position. The locking element is preferably arranged at least partially in the interior space spanned by the excitation coils.
Das Verriegelungselement kann bspw. als langgestreckter Körper ausgebildet sein, wobei dieser bevorzugt eine zylindrische, besonders bevorzugt eine kreiszylindrische Form aufweist. An einem oder an beiden Enden des Verriegelungselements kann ein Verschlusselement angeordnet sein. Auch ist es denkbar, dass das Verriegelungselement selbst an einem oder an beiden Enden als Verschlusselement ausgebildet ist, bspw. als Schließbolzen. Ein zusätzliches Verschlusselement kann bspw. ein Rastkolben darstellen, welcher durch die Bewegung des Verriegelungselements zwischen der ersten und der zweiten Lage und/oder zwischen der zweiten und der ersten Lage in ein aufnehmendes Gegenstück hineingeschoben bzw. hinausgezogen wird und entsprechend die Verriegelungsposition oder eine Freigabeposition einnehmen kann. Bevorzugt wird das Verriegelungselement entlang der Mittenachse bewegt. Das Verriegelungselement kann aus einem beliebigen metallischen oder nicht-metallischen Werkstoff hergestellt werden, wie bspw. ferritischem oder austenitischem Stahl, Aluminium, Kunststoffen oder auch Verbundwerkstoffen.The locking element can be designed, for example, as an elongated body, which is preferably cylindrical, especially before has a circular cylindrical shape. A closure element can be arranged at one or both ends of the locking element. It is also conceivable that the locking element itself is designed as a locking element at one or both ends, for example as a locking bolt. An additional closure element can, for example, represent a locking piston, which is pushed or pulled out into a receiving counterpart by the movement of the locking element between the first and the second position and/or between the second and the first position and accordingly assume the locking position or a release position can. The locking element is preferably moved along the central axis. The locking element can be made from any metallic or non-metallic material, such as ferritic or austenitic steel, aluminum, plastics or composite materials.
Der Kernabschnitt des Verriegelungselements ist bevorzugt zumindest teilweise in wenigstens einem der Innenräume angeordnet. Der Kernabschnitt weist sich bevorzugt durch stark magnetische Werkstoffe, respektive Werkstoffe hoher magnetischer Permeabilität aus. Solche Werkstoffe sind bspw. Mu-Metall, Ferrite oder andere ferromagnetische Werkstoffe. Es ist möglich, dass das Verriegelungselement gänzlich aus magnetisierbaren Werkstoffen besteht, wobei der Kernabschnitt besonders bevorzugt eine höhere magnetische Permeabilität aufweist als der Rest des Verriegelungselements. Es ist möglich, dass das Verriegelungselement im Bereich des Kernabschnitts eine Ummantelung aus einem der vorgenannten Werkstoffe aufweist. Der Kernabschnitt weist bevorzugt wenigstens teilweise einen größeren Durchmesser auf als der Rest des Verriegelungselements.The core section of the locking element is preferably arranged at least partially in at least one of the interior spaces. The core section is preferably made of strongly magnetic materials or materials with high magnetic permeability. Such materials are, for example, mu-metal, ferrites or other ferromagnetic materials. It is possible for the locking element to consist entirely of magnetizable materials, with the core section particularly preferably having a higher magnetic permeability than the rest of the locking element. It is possible for the locking element to have a casing made of one of the aforementioned materials in the area of the core section. The core section preferably has, at least in part, a larger diameter than the rest of the locking element.
Die erfindungsgemäße Zuhaltung weist sich dadurch aus, dass der Kernabschnitt in der ersten Lage weiter innerhalb der ersten Erregerspule angeordnet ist als in der zweiten Lage, und dadurch, dass der Kernabschnitt in der zweiten Lage weiter in der zweiten Erregerspule angeordnet ist als in der ersten Lage. Der Kernabschnitt ist bevorzugt kürzer als die Ausdehnung der ersten und der zweiten Erregerspule zusammen in Richtung der Mittenachse.The tumbler according to the invention is characterized in that the core section in the first position is arranged further within the first excitation coil than in the second position, and in that the core section in the second position is arranged further in the second excitation coil than in the first position . The core section is preferably shorter than the extent of the first and second excitation coils together in the direction of the center axis.
Die erfindungsgemäße Zuhaltung weist eine Detektionsvorrichtung auf, die an die erste Erregerspule angeschlossen ist, wobei die Detektionsvorrichtung zumindest zur Ermittlung der Induktivität der ersten Erregerspule und zur Verarbeitung der ermittelten Induktivität zur Ausgabe eines Detektionssignals ausgelegt ist, das anzeigt, ob sich das Verriegelungselement in der ersten Lage befindet. Abhängig von der Lage des Verriegelungselements und damit der Anordnung des Kernabschnitts innerhalb der ersten Erregerspule ändert sich deren Induktivität. Der Kernabschnitt fungiert dabei bspw. als Spulenkern. Durch Ermittlung der Induktivität kann somit festgestellt werden, ob sich das Verriegelungselement in der ersten Lage befindet.The tumbler according to the invention has a detection device which is connected to the first excitation coil, the detection device being designed at least to determine the inductance of the first excitation coil and to process the determined inductance to output a detection signal which indicates whether the locking element is in the first Location is located. Depending on the position of the locking element and thus the arrangement of the core section within the first excitation coil, its inductance changes. The core section functions, for example, as a coil core. By determining the inductance, it can be determined whether the locking element is in the first position.
Zur Ermittlung der Induktivität kann die Detektionsvorrichtung die erste Erregerspule bevorzugt mit einer Messspannung beaufschlagen. Die Messspannung liegt bevorzugt zwischen 5V und 12V, besonders bevorzugt zwischen 6V und 8V. Außerdem kann die Detektionsvorrichtung bspw. messtechnische Vorrichtungen umfassen, welche zumindest zur zeitabhängigen Ermittlung einer Stromstärke und/oder einer Spannung ausgelegt ist. Dafür ist es bspw. möglich, die an einem zumindest der ersten Erregerspule zugeordneten Messwiderstand abfallende Spannung als Messwert zu erfassen, um daraus einen Wert für die Stromstärke zu ermitteln. Weiter kann die Detektionsvorrichtung eine Auswerteeinrichtung umfassen, die bspw. die gemessene Induktivität verarbeiten und daraus das Detektionssignal erzeugen kann. Das Detektionssignal kann bspw. als ein zu jeder Zeit erfassbares kontinuierliches Signal oder auch als ein zeitdiskretes Signal ausgebildet sein. Die Auswerteeinrichtung kann bspw. einen oder mehrere Mikrocontroller umfassen.To determine the inductance, the detection device can preferably apply a measuring voltage to the first excitation coil. The measuring voltage is preferably between 5V and 12V, particularly preferably between 6V and 8V. In addition, the detection device can include, for example, metrological devices which are designed at least for the time-dependent determination of a current intensity and/or a voltage. For this purpose, it is possible, for example, to record the voltage dropping across a measuring resistor assigned to at least the first excitation coil as a measured value in order to determine a value for the current strength from this. Furthermore, the detection device can include an evaluation device which, for example, can process the measured inductance and generate the detection signal from it. The detection signal can, for example, be designed as a continuous signal that can be detected at any time or as a discrete-time signal. The evaluation device can, for example, include one or more microcontrollers.
Die erfindungsgemäße Zuhaltung weist sich durch eine einfachere Bauweise und eine gleichzeitig zur Verwendung als sicherheitstechnische Zuhaltung geeignete Betriebsweise aus. Außerdem bietet sie ein günstiges und universell einsetzbares System mit großer Zuverlässigkeit. Gegenüber bekannten Varianten von Zuhaltungen ohne bspw. entsprechende Sensorik weist sich die erfindungsgemäße Zuhaltung als vorteilhaft aus.The tumbler according to the invention is characterized by a simpler design and an operating mode that is suitable for use as a safety-related tumbler. It also offers a cheap and universally applicable system with great reliability. Compared to known variants of tumblers without, for example, corresponding sensors, the tumbler according to the invention proves to be advantageous.
Es ist denkbar, dass sich das Verriegelungselement, wenn es sich nicht in der ersten Lage befindet, in einer Zwischenlage, oder bspw. einem fehlerhaften Zustand, befindet. Deshalb muss das Fehlen der Information, dass sich das Verriegelungselements in der ersten Lage befindet, bspw. nicht zwangsläufig anzeigen, dass sich das Verriegelungselements in der zweiten Lage befindet. Die Ermittlung der Induktivität der zweiten Erregerspule kann daher als Kontrollinformation genutzt werden. Erfindungsgemäß ist die Detektionsvorrichtung daher auch an die zweite Erregerspule angeschlossen und zur Ermittlung der Induktivität der zweiten Erregerspule ausgebildet. Die Detektionsvorrichtung kann bspw. dieselben Mittel, welche zur Messung der ersten Erregerspulen vorangehend beschrieben wurden, auch für die zweite Erregerspule umfassen. Weiter kann die Detektionsvorrichtung bevorzugt auch die zweite Erregerspule mit einer Messspannung beaufschlagen. Auch ist es möglich, dass die Mittel zur Messung der ersten Erregerspule auch für die Messung der zweiten Erregerspule nutzbar gemacht werden können. Dies hat den Vorteil, dass eine belastbare Aussage über die Position des Verriegelungselements auch in der zweiten Lage getroffen werden kann. Das Detektionssignal kann bspw. aus der Kombination der Informationen bzgl. beider Induktivitäten erzeugt werden.It is conceivable that the locking element, if it is not in the first position, is in an intermediate position or, for example, in a faulty state. Therefore, the lack of information that the locking element is in the first position, for example, does not necessarily indicate that the locking element is in the second position. The determination of the inductance of the second excitation coil can therefore be used as control information. According to the invention, the detection device is therefore also connected to the second excitation coil and is designed to determine the inductance of the second excitation coil. The detection device can, for example, also include the same means that were described above for measuring the first excitation coils for the second excitation coil. Furthermore, the detection device can preferably also apply a measuring voltage to the second excitation coil. It is also possible that the means for measuring the first excitation coil also for the measurement of the second excitation coil can be made usable. This has the advantage that a reliable statement about the position of the locking element can also be made in the second position. The detection signal can be generated, for example, from the combination of the information regarding both inductors.
Um die durch die ermittelten Induktivitäten angezeigten Informationen einordnen zu können, kann es hilfreich sein, die Messwerte beider Erregerspulen miteinander zu vergleichen. Bspw. kann die bekannte Induktivität einer Erregerspule ohne Spulenkern (Luftspule) und die Induktivität derselben Erregerspule mit vollständig im entsprechenden Innenraum aufweisenden Kernabschnitt zur Kalibrierung der Detektionsvorrichtung dienen. Dahingehend ist die Detektionsvorrichtung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform zum Vergleich der ermittelten Induktivitäten beider Erregerspulen mit einem oder mehreren Referenzwerten ausgelegt. Dies hat den Vorteil, dass die Verlässlichkeit auf die Information des Detektionssignals respektive der Positionsbestimmung des Verriegelungselements weiter erhöht wird.In order to be able to classify the information displayed by the determined inductances, it can be helpful to compare the measured values of both excitation coils. For example, the known inductance of an excitation coil without a coil core (air coil) and the inductance of the same excitation coil with a core section completely in the corresponding interior can be used to calibrate the detection device. To this end, according to a further preferred embodiment, the detection device is designed to compare the determined inductances of both excitation coils with one or more reference values. This has the advantage that the reliability of the information of the detection signal or the position determination of the locking element is further increased.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Detektionsvorrichtung dazu ausgelegt, auf Grundlage der Vergleiche das Detektionssignal zu ermitteln, welches anzeigt, ob sich das Verriegelungselement in der ersten oder in der zweiten Lage befindet. Dies hat den Vorteil, dass die Detektionsvorrichtung damit in der Lage ist, die Anzeige zur Positionsbestimmung des Verriegelungselements auf der Grundlage einer redundanten Doppelbestimmung zu treffen. So kann bspw. die aus der Messung und Verarbeitung des Werts der Induktivität der ersten Spule erhaltene Information, dass sich das Verriegelungselement in der ersten Lage befindet, kombiniert werden mit der aus der Messung und Verarbeitung des Werts der Induktivität der zweiten Spule erhaltenen Information, dass sich das Verriegelungselement nicht in der zweiten Lage befindet. Durch eine solche Kombination von Informationen kann eine Fehlerquote im Detektionssignal deutlich reduziert werden.According to a further preferred embodiment, the detection device is designed to determine, based on the comparisons, the detection signal which indicates whether the locking element is in the first or second position. This has the advantage that the detection device is able to make the display for determining the position of the locking element on the basis of a redundant double determination. For example, the information obtained from measuring and processing the value of the inductance of the first coil that the locking element is in the first position can be combined with the information obtained from measuring and processing the value of the inductance of the second coil that the locking element is not in the second position. Such a combination of information can significantly reduce the error rate in the detection signal.
Es ist generell möglich, dass die von der ersten bzw. der zweiten Erregerspule erzeugten magnetischen Felder dieselbe oder entgegengesetzte Richtungen und/oder Feldstärken aufweisen. Für die Bewegung des Verriegelungselements sind das erste und das zweite magnetische Feld bevorzugt gleichgerichtet, wobei die Richtung der Bewegung abhängig von der Bestromung einstellbar ist. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die erste Erregerspule und die zweite Erregerspule in Reihe geschaltet und zumindest für eine Bewegung des Verriegelungselements weisen das erste magnetische Feld und das zweite magnetische Feld eine gleiche magnetische Richtung auf. Dies hat den Vorteil, dass eine durch beide Erregerspulen gleichgerichtete Kraft zur Bewegung des Verriegelungselements aufgebracht werden kann. Gleichzeitig könnte für eine äquivalente Kraft gegenüber einer Variante, in der nur eine Erregerspule eine Bewegung erzeugt, die Baugröße durch die bevorzugte Ausführungsform reduziert werden.It is generally possible for the magnetic fields generated by the first or second excitation coil to have the same or opposite directions and/or field strengths. For the movement of the locking element, the first and second magnetic fields are preferably rectified, the direction of the movement being adjustable depending on the current supply. According to a further preferred embodiment, the first excitation coil and the second excitation coil are connected in series and at least for a movement of the locking element, the first magnetic field and the second magnetic field have the same magnetic direction. This has the advantage that a force that is directed in the same direction by both excitation coils can be applied to move the locking element. At the same time, the size could be reduced by the preferred embodiment for an equivalent force compared to a variant in which only one excitation coil generates a movement.
Damit die erste und die zweite Erregerspule in Reihe geschaltet werden können, gleichzeitig aber auch an beiden Erregerspulen jeweils von der Detektionsvorrichtung insbesondere separate Messungen durchgeführt werden können, ist gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform zwischen der ersten Erregerspule und der zweiten Erregerspule ein Mittelabgriff angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass die Detektionsvorrichtung in einem sensorischen Teil der Schaltung unabhängig von einem aktorischen Teil der Schaltung, zur Bewegung des Verriegelungselements, arbeiten kann. An dem Mittelabgriff zwischen den in Reihe geschalteten Erregerspulen ist bevorzugt die Detektionsvorrichtung so angeordnet, dass sie jeweils mit der ersten bzw. der zweiten Erregerspule separat schaltbare sensorische erste bzw. zweite Messschaltkreise ausbildet.So that the first and second excitation coils can be connected in series, but at the same time separate measurements can be carried out on both excitation coils by the detection device, according to a further preferred embodiment, a center tap is arranged between the first excitation coil and the second excitation coil. This has the advantage that the detection device in a sensory part of the circuit can work independently of an actuator part of the circuit to move the locking element. The detection device is preferably arranged at the center tap between the excitation coils connected in series in such a way that it forms sensory first and second measuring circuits that can be switched separately with the first and second excitation coils.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zwischen der ersten Erregerspule und der zweiten Erregerspule ein Permanentmagnet angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass das Verriegelungselement auch ohne Einfluss magnetischer Kraft stabil in der ersten bzw. der zweiten Lage gehalten werden kann.According to a further preferred embodiment, a permanent magnet is arranged between the first excitation coil and the second excitation coil. This has the advantage that the locking element can be held stably in the first or second position even without the influence of magnetic force.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Detektionsvorrichtung zur Ermittlung der Induktivität der ersten oder der zweiten Erregerspule durch Beaufschlagung der ersten oder der zweiten Erregerspule mit einer Messspannung zur Erzeugung eines ersten oder eines zweiten Messmagnetfelds ausgelegt, wobei das erste Messmagnetfeld mindestens im Bereich der ersten Erregerspule dem Magnetfeld des Permanentmagneten entgegengerichtet ist, und wobei das zweite Messmagnetfeld mindestens im Bereich der zweiten Erregerspule dem Magnetfeld des Permanentmagneten entgegengerichtet ist. Dies hat den Vorteil, dass die Messung entgegen einer potentiellen magnetischen Sättigung des Kernabschnitts erfolgt. Befindet sich dieser tatsächlich in Sättigung, so steigt bei einer weiteren Erhöhung des magnetischen Feldes die Flussdichte nur noch schwach an, während in magnetisch entgegengesetzter Richtung zur Sättigung stärkere Gradienten maßgeblich sind, welche eine sensible sensorische Erfassung möglich machen.According to a further preferred embodiment, the detection device is designed to determine the inductance of the first or second excitation coil by applying a measuring voltage to the first or second excitation coil to generate a first or a second measuring magnetic field, the first measuring magnetic field at least in the area of the first excitation coil Magnetic field of the permanent magnet is directed in the opposite direction, and wherein the second measuring magnetic field is directed in the opposite direction to the magnetic field of the permanent magnet at least in the area of the second excitation coil. This has the advantage that the measurement is carried out against potential magnetic saturation of the core section. If this is actually in saturation, the flux density only increases slightly when the magnetic field is increased further, while in the magnetically opposite direction to saturation, stronger gradients are decisive, which make sensitive sensory detection possible.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Detektionsvorrichtung Mittel zur Erzeugung einer Messspannung und zur Stromüberwachung auf. Dies hat den Vorteil, dass die Erzeugung und die Überwachung aller Signale einfach in-situ erfolgen kann. Die Stromüberwachung kann bevorzugt am Mittelabgriff hinter den Spulen angeordnet sein (Low-Side-Überwachung) und in Echtzeit erfolgen. Die Messspannung kann bspw. lokal über eine Batterie oder einen Akkumulator oder dezentral über eine Speisung erzeugt werden. Für eine Low-Side-Überwachung kann bspw. u.a. ein Messwiderstand, z.B. ein Shunt, zwischen der Last (Erregerspule) und der Masse (GND) geschaltet werden. Es ist bspw. möglich, den ersten bzw. den zweiten Messschaltkreis einzeln mit einer Messspannung zu beaufschlagen und dadurch über einen einstellbaren Zeitraum ein Messmagnetfeld zu erzeugen, um jeweils eine aktuelle Induktivität zu ermitteln. Dadurch, dass der erste und der zweite Messschaltkreis separiert sind, kann dieser Messprozess bspw. sequenziell und stetig wiederholend ablaufen. Entsprechend können nacheinander ermittelte Werte für die Induktivität zur gegenseitigen redundanten Kontrolle genutzt werden.According to a further preferred embodiment, the detection device has means Generation of a measuring voltage and for current monitoring. This has the advantage that the generation and monitoring of all signals can easily be done in-situ. The current monitoring can preferably be arranged at the center tap behind the coils (low-side monitoring) and can take place in real time. The measuring voltage can, for example, be generated locally via a battery or accumulator or decentrally via a power supply. For low-side monitoring, for example, a measuring resistor, such as a shunt, can be connected between the load (excitation coil) and ground (GND). It is possible, for example, to apply a measuring voltage to the first or second measuring circuit individually and thereby generate a measuring magnetic field over an adjustable period of time in order to determine a current inductance. Because the first and second measuring circuits are separated, this measuring process can, for example, take place sequentially and continuously. Accordingly, successively determined values for the inductance can be used for mutual redundant control.
Zur Messung eines geringen Spannungsabfalls an einem Messwiderstand kann es hilfreich sein, dieses Signal zu verstärken. Dem verstärkten Messsignal kann dann bevorzugt ein Bauteil nachgeschaltet werden, welches nach Ablauf der Messung einer Erregerspule in einem entsprechenden Messschaltkreis die Messspannung unterbricht, so dass sich die gemessene Erregerspule abmagnetisieren kann. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Detektionsvorrichtung dazu einen Differenzenverstärker und einen Schwellenwertschalter auf. Der Schwellenwertschalter kann bspw. als Schmitt-Trigger ausgebildet sein.To measure a small voltage drop across a measuring resistor, it can be helpful to amplify this signal. The amplified measurement signal can then preferably be followed by a component which, after the measurement of an excitation coil in a corresponding measuring circuit, interrupts the measuring voltage so that the measured excitation coil can become demagnetized. According to a further preferred embodiment, the detection device has a differential amplifier and a threshold switch. The threshold switch can be designed, for example, as a Schmitt trigger.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Detektionsvorrichtung Mittel zur Erzeugung eines ersten und eines zweiten Induktivitätssignals auf, deren Frequenzen von der Induktivität der ersten bzw. der zweiten Erregerspule abhängig sind. Dies hat den Vorteil eines einfachen und gleichzeitig sicherheitstechnisch redundanten Messprinzips mit entsprechenden Vergleichsmöglichkeiten der Induktivitäten.According to a further preferred embodiment, the detection device has means for generating a first and a second inductance signal, the frequencies of which depend on the inductance of the first and second excitation coil. This has the advantage of a simple and, at the same time, safety-related redundant measuring principle with corresponding options for comparing the inductances.
Die Detektionsvorrichtung kann bspw. mit Hilfe des wenigstens einen Mikrocontrollers die Messwerte aus der Stromüberwachung und aktuelle Werte für die Induktivitäten erfassen. Bei einer bevorzugt zeitabhängigen Messung kann der Schwellenwertschalter genutzt werden, um die über den Messwiderstand abfallende Spannung von einem unteren Schwellenwert bis zu einem oberen Schwellenwert über die Zeit ansteigend zu erfassen. Dieser Verlauf kann insbesondere abhängig sein von der zeitaktuellen Induktivität der bemessenen Erregerspule. Bei Erreichen des oberen Schwellenwerts kann der Schwellenwertschalter die Messspannung abschalten. Im Zuge der Abmagnetisierung der gemessenen Erregerspule erreicht der Strom bspw. den unteren Schwellenwert, wobei dann die Messspannung wieder angeschaltet wird und eine neue Messung vorgenommen werden kann. Der absinkende Strom hat bevorzugt den identischen linearen Verlauf wie der ansteigende Strom, wobei bei Erreichen des unteren Schwellenwerts ein Messzyklus durchlaufen sein kann. Dieser Messzyklus kann bspw. als eine Periode eines zeitabhängigen Induktivitätssignals betrachtet werden, welches gemäß des jeweiligen zeitabhängigen Anstiegs und Abfalls der korrelierenden Strommessung bevorzugt von der Detektionsvorrichtung erzeugt wird. Die Frequenz des Induktivitätssignals zeigt somit den Wert der Induktivität an und ist einfach auszuwerten, bspw. mittels eines Zählers. Ein solcher Messzyklus kann als zeitabhängige Größe bspw. auch als Schrittweite angesehen werden. Diese Schrittweite kann sich bspw. entsprechend der Induktivität der bemessenen Erregerspule verlängern, wenn der Kernabschnitt in einem nächsten Durchlauf stärker in eben dieser Spule angeordnet ist als vorher.The detection device can, for example, use the at least one microcontroller to record the measured values from the current monitoring and current values for the inductances. In a preferably time-dependent measurement, the threshold switch can be used to record the voltage falling across the measuring resistor from a lower threshold to an upper threshold increasing over time. This course can be particularly dependent on the current inductance of the measured excitation coil. When the upper threshold is reached, the threshold switch can switch off the measuring voltage. In the course of the demagnetization of the measured excitation coil, the current reaches, for example, the lower threshold value, in which case the measuring voltage is then switched on again and a new measurement can be carried out. The falling current preferably has the identical linear course as the rising current, whereby a measurement cycle can be completed when the lower threshold value is reached. This measurement cycle can, for example, be viewed as a period of a time-dependent inductance signal, which is preferably generated by the detection device in accordance with the respective time-dependent rise and fall of the correlating current measurement. The frequency of the inductance signal therefore indicates the value of the inductance and can be easily evaluated, for example using a counter. Such a measurement cycle can be viewed as a time-dependent variable, for example as a step size. This step size can, for example, be extended in accordance with the inductance of the measured excitation coil if the core section is arranged more strongly in this coil in a next run than before.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die erste Erregerspule, die zweite Erregerspule und der Permanentmagnet in einem als magnetisches Joch ausgebildetem Gehäuse angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass diese Anordnung die Bildung von bistabilen Lagen ermöglicht. Es kann bspw. auch das Verriegelungselement durch dieses Gehäuse geführt werden, wobei der Kernabschnitt entsprechend in dem Gehäuse angeordnet ist. Bevorzugt ist der Kernabschnitt kleiner als das Gehäuse. Das Gehäuse kann bspw. so ausgebildet sein, dass die erste Erregerspule und die zweite Erregerspule jeweils von dem magnetischen Joch umgriffen werden.According to a further preferred embodiment, the first excitation coil, the second excitation coil and the permanent magnet are arranged in a housing designed as a magnetic yoke. This has the advantage that this arrangement enables the formation of bistable layers. For example, the locking element can also be guided through this housing, with the core section being arranged accordingly in the housing. The core section is preferably smaller than the housing. The housing can, for example, be designed such that the first excitation coil and the second excitation coil are each surrounded by the magnetic yoke.
Das Verriegelungselement kann in der ersten Lage bzw. in der zweiten Lage das magnetische Joch jeweils bevorzugt so mit dem Kernabschnitt kontaktieren, dass sich um die erste Erregerspule bzw. um die zweite Erregerspule ein magnetischer Kreis schließt. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist dazu das magnetische Joch einen ersten Anschlag und einen zweiten Anschlag auf, an denen das Verriegelungselement in der ersten bzw. der zweiten Lage gehalten wird. Dies hat den Vorteil, dass im stromlosen Zustand das Verriegelungselement in der ihm zugewiesenen Position verbleibt. Das magnetische Joch kann bspw. jeweils endseitig in den Innenraum eingreifen, so dass der Kernabschnitt an dem Joch anschlägt, da bspw. des Verriegelungselements an der mit dem Kernabschnitt ummantelten Stelle einen entsprechend größeren Durchmesser aufweist.In the first position or in the second position, the locking element can preferably contact the magnetic yoke with the core section in such a way that a magnetic circuit closes around the first excitation coil or around the second excitation coil. According to a further preferred embodiment, the magnetic yoke has a first stop and a second stop, on which the locking element is held in the first and second positions, respectively. This has the advantage that in the de-energized state, the locking element remains in the position assigned to it. The magnetic yoke can, for example, engage in the interior at each end, so that the core section abuts on the yoke, since, for example, the locking element has a correspondingly larger diameter at the point covered by the core section.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Ansteuereinheit mit der ersten und/oder der zweiten Erregerspule verbunden zum Anlegen einer Bewegungsspannung oder eines Bewegungsstroms zur Bewegung des Verriegelungselements zwischen der ersten und der zweiten Lage. Die Bewegungsspannung ist bevorzugt höher als eine zur Ermittlung der Induktivität angelegte Messspannung und liegt bspw. bevorzugt zwischen 18V und 30V, besonders bevorzugt zwischen 22V und 26V. Die Ansteuereinheit kann mit der Detektionsvorrichtung so gekoppelt sein, dass zwischen Bewegung des Verriegelungselements und der Ermittlung der Induktivität selektiert werden kann.According to a further preferred embodiment, a control unit is connected to the first and/or the second excitation coil for applying a motion voltage or a motion current to move the locking element between the first and second positions. The movement voltage is preferably higher than a measuring voltage applied to determine the inductance and is, for example, preferably between 18V and 30V, particularly preferably between 22V and 26V. The control unit can be coupled to the detection device in such a way that a selection can be made between movement of the locking element and the determination of the inductance.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Zuhaltung, umfassend eine erste Erregerspule, eine zweite Erregerspule, und ein Verriegelungselement, welches zumindest einen Kernabschnitt aufweist, zeichnet sich dadurch aus, dass in einem Aktorikbetrieb die erste Erregerspule ein erstes magnetisches Feld erzeugt, die zweite Erregerspule ein zweites magnetisches Feld erzeugt, und das Verriegelungselement mittels des ersten und/oder des zweiten magnetischen Feldes zwischen einer ersten und einer zweiten Lage bewegt wird, wovon eine der beiden Lagen mit einer Verriegelungsposition korrespondiert, wobei der Kernabschnitt in der ersten Lage weiter innerhalb der ersten Erregerspule angeordnet ist als in der zweiten Lage, und wobei der Kernabschnitt in der zweiten Lage weiter innerhalb der zweiten Erregerspule angeordnet ist als in der ersten Lage, und wobei für einen Sensorikbetrieb eine Detektionsvorrichtung an die erste Erregerspule und auch an die zweite Erregerspule angeschlossen ist, welche die Induktivität der ersten Erregerspule und auch der zweiten Erregerspule ermittelt und die ermittelte Induktivität zur Ausgabe eines Detektionssignals verarbeitet, das anzeigt, ob sich das Verriegelungselement in der ersten Lage oder in der zweiten Lage befindet.The method according to the invention for operating a tumbler, comprising a first excitation coil, a second excitation coil, and a locking element which has at least one core section, is characterized in that in actuator operation, the first excitation coil generates a first magnetic field, the second excitation coil generates a second magnetic field is generated, and the locking element is moved by means of the first and / or the second magnetic field between a first and a second position, one of the two layers corresponding to a locking position, the core section in the first position being further arranged within the first excitation coil is than in the second position, and wherein the core section in the second layer is arranged further within the second excitation coil than in the first position, and wherein for sensor operation a detection device is connected to the first excitation coil and also to the second excitation coil, which the Inductance of the first excitation coil and also the second excitation coil is determined and the determined inductance is processed to output a detection signal which indicates whether the locking element is in the first position or in the second position.
Die Detektionsvorrichtung kann wie vorangehend beschrieben einen oder mehrere Mikrocontroller umfassen. Es ist möglich, dass die Messwerterfassung, die Erzeugung des Detektionssignals und/oder die Funktionen der Ansteuereinheit von einem Mikrocontroller mit entsprechenden softwareseitigen Sub-Routinen übernommen werden. Für die Erzeugung von Mess- und Bewegungsspannung können dazu bspw. eine oder mehrere externe Spannungsquellen vorgesehen sein, welche von dem einen Mikrocontroller ansteuerbar sind.The detection device can comprise one or more microcontrollers as described above. It is possible for the measured value acquisition, the generation of the detection signal and/or the functions of the control unit to be taken over by a microcontroller with corresponding software sub-routines. For the generation of measurement and movement voltage, one or more external voltage sources can be provided, which can be controlled by the one microcontroller.
Details der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 ,2 Schematische Ansicht einer Zuhaltung gemäß einer Ausführungsform in erster und zweiter Lage; -
3 eine Schaltskizze eines Teils der Zuhaltung aus1 ; -
4 Darstellung des zeitlichen Verlaufs von Messgrößen aus3 .
-
1 ,2 Schematic view of a tumbler according to an embodiment in the first and second position; -
3 a circuit diagram of part of the guard locking1 ; -
4 Representation of the time course of measured variables3 .
In dem bistabilen Hubmagneten 10 sind eine erste und eine zweite Erregerspule 12,14 rotationssymmetrisch zu einer Mittenachse M ausgebildet. Diese spannen gemeinsam einen Innenraum auf, in dem ein längliches kreiszylindrisches Verriegelungselement 16 angeordnet ist. Die Erregerspulen 12,14 sind entlang der Mittenachse M durch einen zwischen ihnen liegenden Permanentmagneten 18 voneinander beabstandet. Der Permanentmagnet 18 besteht aus Neodym und ist als Ringmagnet mit radialer Magnetisierung ausgebildet. Wie auch
Das Verriegelungselement 16 ist entlang der Mittenachse M beweglich gelagert. Es kann zwischen einer ersten Lage und einer zweiten Lage bidirektional bewegt werden. In der ersten Lage (
In einem Bereich ist das Verriegelungselement 16 von einem ferromagnetischen Kernabschnitt 20 fest ummantelt. Der Kernabschnitt 20 besteht aus Mu-Metall und misst ungefähr 120% der Ausdehnung einer Erregerspule 12,14 in Richtung der Mittenachse M. Der Außendurchmesser des Kernabschnitts dK beträgt ungefähr 180% des Durchmessers dvdes Verriegelungselements. Der Kernabschnitt 20 funktioniert bzgl. der ersten bzw. der zweiten Erregerspule 12,14 wie ein Spulenkern. In der ersten Lage ist der Kernabschnitt 20 weiter innerhalb der ersten Erregerspule 12 angeordnet als in der zweiten Lage. In der zweiten Lage ist der Kernabschnitt 20 entsprechend weiter innerhalb der zweiten Erregerspule 14 angeordnet als in der ersten Lage. Somit ist die Induktivität der ersten Erregerspule 12 in der ersten Lage höher als in der zweiten Lage. Die Induktivität der zweiten Erregerspule 14 ist entsprechend in der zweiten Lage höher als in der ersten Lage.In one area, the locking
Der bistabile Hubmagnet 10 ist in einem Gehäuse 22 angeordnet, welches zugleich als magnetisches Joch fungiert. Das Gehäuse 22 besteht aus einer Eisen-Nickel-Legierung und ist rotationssymmetrisch um das Verriegelungselement 16 ausgebildet. Wie
Die EMSR-Reinheit 26 kann den bistabilen Hubmagneten 10 in einem Aktorik- und in einem Sensorikbetrieb ansteuern. In dem Aktorikbetrieb wird das Verriegelungselement 16 in dem bistabilen Hubmagneten 10 mit Hilfe eines ersten und eines zweiten magnetischen Feldes bewegt, welche von der ersten bzw. der zweiten Erregerspule 12,14 erzeugt werden. In dem Sensorikbetrieb wird die Position des Verriegelungselements 16 erfasst.The
Die EMSR-Einheit 26 beaufschlagt den bistabilen Hubmagneten 10 im Aktorikbetrieb mit einer von V_sourcei kommenden Bewegungsspannung von 24V. Die Erregerspulen 12,14 erzeugen dabei gleichgerichtete magnetische Felder, welche so auf den Kernabschnitt 20 wirken können, dass dieser mit dem gesamten Verriegelungselement 16 zwischen der ersten Lage und der zweiten Lage bewegt wird.The
Das Gehäuse 22 ist durch den Permanentmagneten 18 so magnetisiert, dass der Kernabschnitt 20 auch ohne die Einwirkung der magnetischen Felder in der ersten Lage bzw. der zweiten Lage lagestabil gehalten wird. Ist der Kernabschnitt 20, wie in
Die Sensorik des bistabilen Hubmagneten 10 ist in der EMSR-Einheit 26 angeordnet. Die Sensorik wird in
An den Mittelabgriff M3 ist ein Shunt-Widerstand 30 angeschlossen, welcher über einen MOSFET 32 zur Masse 34 verschaltet ist. Der MOSFET 32 wird über ein Signal Test_on/off geöffnet bzw. geschlossen. Über den Shunt-Widerstand 30 fällt eine Spannung Us ab, welche von einem Differenzenverstärker 36 verstärkt wird. Dem nachgeschaltet ist ein Schmitt-Trigger 38. Diesem ist ein Spannungsteiler in Mitkopplung zugeschaltet, über den ein Referenzwert zur Einteilung des oberen und unteren Schwellenwerts eingestellt werden kann. Der Schmitt-Trigger 38 gibt als binäres Signal entweder die höchstmögliche Spannung (logisch 1) oder die kleinstmöglichste Spannung (logisch o) aus, womit eine Messspannung ab- bzw. anschaltet.A
Im Sensorikbetrieb ist der MOSFET 32 eingeschaltet. Wie
Dann fließt, wie auch
An dem Shunt-Widerstand 30 fällt bei einer Messung eine Spannung Us ab, welche von dem Differenzenverstärker 36 verstärkt wird. Dieses verstärkte Signal wird dem Schmitt-Trigger 38 zugeführt. Diesem ist ein unterer und ein oberer Schwellenwert eingeprägt, wobei letzterer einer Referenzspannung UR gleichkommt. Der Strom steigt in dem Schmitt-Trigger 38 von dem unteren Schwellenwert bis zu dem oberen Schwellenwert an.During a measurement, a voltage Us drops across the
Die Dauer vom Beginn der Aufmagnetisierung bis zum Ende der Abmagnetisierung in
Wird im Aktorikbetrieb von der EMSR-Einheit 26 die Bewegungsspannung von 24V an den bistabilen Hubmagneten 10 angelegt, fließt der Strom von der ersten Erregerspule 12 direkt zu der zweiten Erregerspule 14 bzw. umgekehrt. Dabei ist der MOSFET 32 ausgeschaltet. Die Entscheidung der Betriebsart und über den Zustand des MOSFET 32 wird durch einen hier nicht dargestellten Mikrocontroller getroffen, der das Signal Test_on/off an den MOSFET 32 sendet. Ein solcher Mikrocontroller ist Teil der EMSR-Einheit 26. Weiter ist die Detektionsvorrichtung der EMSR-Einheit 26 dazu ausgelegt, die Frequenzen beider Messzyklen, entsprechend den Induktivitäten beider Erregerspulen 12,14, jeweils mit einem Referenzwert zu vergleichen. Dabei ist die Redundanz der Vergleichsergebnisse wichtig. Ist bspw. die Frequenz bzgl. der ersten Erregerspule 12 kleiner als der Referenzwert (erhöhte Induktivität), dann muss auch gleichzeitig die Frequenz bzgl. der zweiten Erregerspule 14 größer sein (geringere Induktivität) als der Referenzwert, damit der Mikrocontroller entscheidet, dass sich das Verriegelungselement 16 in der ersten Lage befindet.If the motion voltage of 24V is applied to the
Die EMSR-Einheit 26 gibt dann schlussendlich ein Signal aus (Signal_inf in
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 66
- Zuhaltungtumbler
- 88th
- VerschlussgliedClosure link
- 1010
- bistabiler Hubmagnetbistable lifting magnet
- 1212
- erste Erregerspulefirst excitation coil
- 1414
- zweite Erregerspulesecond excitation coil
- 1616
- VerriegelungselementLocking element
- 1818
- PermanentmagnetPermanent magnet
- 2020
- Kernabschnittcore section
- 2222
- GehäuseHousing
- 24a, 24b24a, 24b
- Anschlagspositionenstop positions
- 25a, 25b25a, 25b
- Öffnungenopenings
- 2626
- EMSR-EinheitEMSR unit
- 2828
- H-BrückeH-bridge
- 3030
- Shunt-WiderstandShunt resistance
- 3232
- MOSFETMOSFET
- 3434
- MasseDimensions
- 3636
- DifferenzenverstärkerDifferential amplifier
- 3838
- Schmitt-TriggerSchmitt trigger
- dvdv
- Durchmesser VerriegelungselementDiameter of locking element
- dKdK
- Außendurchmesser KernabschnittOuter diameter core section
- URUR
- ReferenzspannungReference voltage
- UoUo
- Schmitt-SpannungSchmitt voltage
- ILIL
- Stromstärke (Spule)Amperage (coil)
- UsUs
- Shunt-SpannungShunt voltage
- M1/M2M1/M2
- Ausgang H-BrückeH-bridge exit
- L1+L1+
- erstes Spulenendefirst coil end
- L2-L2-
- zweites Spulenendesecond coil end
- M3M3
- MittelabgriffCenter tap
- MM
- Mittenachsecenter axis
- Vv
- Verschiebewegdisplacement path
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